热融湖影响下多年冻土退化的数值模拟

在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了千年尺度上热融湖对多年冻土退化的影响。预测结果表明,受热融湖的影响,湖底下部及周围多年冻土温度状态发生了较大变化。在湖深相同的情况下,湖底年平均温度越高,对多年冻土的热扰动越明显。当湖底年平均温度等于0℃时,湖底下部及周围多年冻土一般不会形成融化层,只可能引起地温升高;当湖底年平均温度大于0℃时,多年冻土不但温度升高,上限下移,而且可能形成融化层,最终导致多年冻土可能被融穿。湖底年平均温度越高,地温增加越快,融穿多年冻土的时间越短。在湖底年平均温度相同的情况下,水深差异对多年冻土退化的影响不明显。     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

PROGRESS IN GLOBAL PERMAFROST AND CLIMATE CHANGE STUDIES

多年冻土热状态和土壤季节冻融过程的变化对陆地生态系统、地-气间温室气体交换、水文和地貌过程以及工程基础设施的建设和运行都具有很大的影响.活动层和多年冻土及其变化数据信息对于验证在不同尺度的陆面过程、水文、生态和气候模型至关重要.本文就目前全球多年冻土与气候变化研究现状进行概括性总结.在全球变暖的影响下,全球范围内多年冻土发生了不同程度的退化.自20世纪70年代末以来,北极高纬度低温多年冻土温度升高可达3℃.由于受相变潜热的影响,在不连续多年冻土区相对较高温度的多年冻土温度增加幅度较小.受局地条件的影响,个别站点多年冻土温度几乎没有发生变化,甚至有降温的趋势.高纬度多年冻土南界向北移动,而中纬度高山地区多年冻土下界向高海拔移动,导致全球多年冻土面积减少.活动层厚度变化具有较强的区域差异,其深度增加范围从几厘米到1m多不等.新的融区在形成,融区厚度在增加且其范围在扩大.导致全球范围内多年冻土温度升高、活动层厚度增加以及融区的形成主要是受气温升高和积雪条件变化所致.未来多年冻土研究应包括不同时-空尺度上的长期监测和数值模拟、多年冻土变化与大气、水文、生态系统、碳循环以及地貌过程的相互作用等方面.     

青藏高原北麓河地区典型热融湖塘周边多年冻土特征研究

青藏高原多年冻土区广泛分布着热融湖塘, 热融湖塘的形成会对周边的多年冻土产生显著的影响. 选取北麓河地区一典型热融湖, 运用探地雷达技术对该湖塘周边的多年冻土进行了探测.结果表明: 湖岸坍塌剧烈区一侧的多年冻土上限深度大于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区, 并且在湖水的热作用下, 湖岸多年冻土的上限深度随离湖岸距离的减小而增大; 湖岸坍塌剧烈区上限附近的地下冰含量也明显高于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区. 同时, 通过对湖岸测温孔的地温观测数据的分析可以看出, 湖岸地温正在逐年升高且升高的速率快于天然状态, 湖岸地温随离湖岸距离的减小逐渐增大.     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

青藏高原可可西里卓乃湖溃决出露湖底多年冻土形成过程的监测与模拟

利用可可西里卓乃湖综合监测场获取的气象、地温等数据资料,分析了卓乃湖溃决后出露湖底融区冻土的形成过程。结果表明卓乃湖溃决后的三年时间里,多年冻土下限深度分别达到4.9 m、5.4 m、5.7 m,呈现出不断增长的趋势。利用Lunardini构建的冻土形成过程模型模拟了多年冻土的形成速率和形成过程,并在此基础上初步分析了地表温度和土壤含水量对研究区多年冻土形成速率的影响。模型模拟结果显示研究区多年冻土将继续增长,多年冻土的形成速率呈现先快后慢的增长趋势并最终达到稳定状态。地表温度和土壤含水量是影响多年冻土形成的重要因素。随着温度的降低,多年冻土的形成速率逐渐加快。当地表温度不变时,在多年冻土形成初期,岩土含水量越小,多年冻土的形成速率越快。     

基于遥感影像的祁连山区俄博岭热融滑塌发育特征

热融滑塌是山地多年冻土退化最直接的表现形式之一,通过解译祁连山俄博岭地区遥感影像,结合实地考察,对俄博岭热融滑塌的空间分布和时间变化进行了研究,明确了热融滑塌的发育特征。结果表明,俄博岭热融滑塌发育活跃,1997~2015年热融滑塌数量增加(11~13个),面积增大(7765~20605m^2),其中1997~2009年面积增加速率为679.9m^2/a,2009~2015年面积增加速率为780.2m^2/a。通过分析热融滑塌景观分布与地形因子的关系,发现俄博岭热融滑塌在海拔3570~3700m,坡度3°~10°的富冰多年冻土区北向斜坡发育;通过对典型热融滑塌溯源后退速率分析发现,1997~2009年其平均后退速率为2m/a,2009~2015年平均后退速率为5m/a,呈明显增大趋势,且其后退速率主要与坡度、地下冰含量和地表径流相关。     

多年冻土区热融湖研究现状与展望

热融湖是多年冻土区地下冰融化形成的典型地貌单元,热融湖及其变化对多年冻土热状态、水文过程、生态环境、冻土工程稳定性等有着重要的影响. 热融湖还是重要的温室气体源,与全球气候系统存在着复杂而显著的互馈过程,是气候与环境变化的指示器. 因此,开展热融湖的相关研究是近年来冻土学研究的热点之一. 通过文献综述,从以下方面评述了热融湖研究的现状与进展：1) 热融湖形态特征及其演化过程;2) 热融湖热状况及其热效应研究;3) 热融湖和多年冻土区土壤-植被生态系统的相互作用研究;4) 热融湖对大气中温室气体的贡献. 最后,讨论了该领域目前面临的主要问题,提出了应在热融湖演化的基础理论、动态变化过程的预测、热融湖的冻土水文效应、区域尺度热融湖与冻土、生态、水文和气候耦合过程的综合等方面进一步开展研究,为定量预测和评价冻土区热融湖环境工程效应,应发展不同尺度的计算模型.     

青藏工程走廊热融湖湖底热状态

热融湖塘对寒区环境可产生较大影响, 其侧向热侵蚀会诱发冻土工程病害.选取青藏工程走廊热融湖塘分布密集的楚玛尔河、五道梁、北麓河3个亚区, 于2009—2010年通过HOBO水位传感器对4个固定湖塘的连续监测和大量湖塘的随机观测, 探讨了不同季节、不同水深湖底的热状态.在结冰期的1月中旬, 楚玛尔河90%以上的湖塘湖底温度都在0 ℃以下, 主要与湖塘较浅和湖水高矿化度有关.五道梁和北麓河湖底温度相对较高, 只有约20%的湖底温度低于0 ℃, 这些湖水深小于最大冻结冰层厚度; 最高温度高于4 ℃, 主要与湖较深有关.但3个亚区湖底温度均随着水深增加而增加.在6~9月融冰期, 湖底温度普遍增加, 最高达到18 ℃以上, 浅湖增温快于深湖, 湖底温度随着水深增加而递减.湖底温度年际变化近似为正弦曲线, 在1~2月, 湖底温度最低, 之后逐渐升高, 到7~8月, 湖底温度达到最高.      

青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟

热融湖是高纬度和高海拔富冰多年冻土区重要的自然景观。这些湖由于富冰多年冻土或地下冰的融化而形成,由于湖水向周边多年冻土传递热量而持续扩张。以青藏高原北麓河地区一个热融湖的信息和冻土监测资料为基础,运用柱坐标系下伴有相变的热传导模型模拟了以不同的横向扩张速率演化的热融湖湖下融区的发展过程。结果表明：在青藏高原多年冻土厚度为75 m的北麓河盆地,分别以横向扩张速率0.10 m·a^-1、0.15 m·a^-1、0.20 m·a^-1和0.25 m·a^-1演化的热融湖,在湖形成分别达760 a、703 a、671 a和652 a时,湖下形成贯通融区,相应的多年冻土从上向下融化的平均速率分别为8.22 cm·a^-1,8.89 cm·a^-1,9.31 cm·a^-1和9.74 cm·a^-1。热融湖的横向扩张速率对湖下的融区发展和土壤热状况有重要的影响,在现场调查资料的基础上选取正确的热融湖横向扩张速率是热融湖对多年冻土热状况作用数值模拟研究的必要前提。     

Progress in Numerical Simulation of Long-Term Impact of Thermokarst Lakes on Permafrost Thermal Regime

Thermokarst lakes are a major heat source for the adjacent permafrost and a significant source of atmospheric methane. These lakes have important impacts on the physical, chemical, biological, geomorphological and hydrological processes occurring in the ground under and around thermokarst lakes, and seriously affect the local environment and the stability of the structures constructed in permafrost regions. Numerical simulation methods provide an effective method for quantitative analysis of the long-term impact of thermokarst lakes and their evolution on permafrost surrounding the lakes, and have deepened our knowledge about the impact of thermokarst lakes immensely. Summarizing the research progresses in numerical simulation of long-term impact of thermokarst lakes on thermal regime of surrounding permafrost has an important guiding function to improve mathematical models and develop more effective models. In this study, the components, functions, advantages and defects of several typical mathematical models having developed over the past ten years or so were reviewed, such as the heat conduction model with phase change, thaw slumping model, the coupled lake-permafrost model, thaw lake expansion model combining thermal processes with mass wasting and thaw-driven subsidence, the coupled heat conduction and moisture migration model, and the moving mesh method based thermokarst lake dynamic evolution model. Several issues deserving to be paid further attention in the future researches were proposed, including creating more effective models, determining the more realistic initial condition, lucubrating thermal and physical parameters of the typical soils, consider the impact of lake water replenishment, quantitative analysis of the thermal effect of supra-permafrost water flow around the thermokarst lakes, creating the coupled governing equation of heat conduction with phase change and convective heat transfer, embed ding the effect of climate warming in the model, numerical investigation of the long-term influence of thermokarst lake drainage on the environment change in permafrost regions, analyzing the long-term joint impact of multiple lakes on adjacent permafrost, simulating the near-shore talik development process and feature beneath shallow water in expanding thermokarst lakes, and continuing to do the systemic and comprehensive field measurements.     

青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用, 本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例, 构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型, 对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明: 热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区, 导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下, 形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡, 其排泄量在285~388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。     

热融湖塘对多年冻土的热影响

以发育于青藏高原多年冻土区的红梁河热融湖塘为例,研究了热融湖塘附近土体的热状态变化特征,以及其对湖岸多年冻土上、下限影响情况.结果表明:热融湖塘侧向热影响改变了热融湖塘下部和周围区域土体的热状态,使周围土体热状态处于动平衡状态,既受热融湖塘的热影响,也受到周围多年冻土的热影响.热融湖塘对周围浅层土体温度和多年冻土上限影响相对较小,但热融湖塘热影响引起了湖岸边缘的多年冻土上限增大和地温升高.热融湖塘对深部土体温度和多年冻土厚度有较大的影响.     

青藏公路沿线热喀斯特湖分布特征及其热效应研究

热喀斯特湖的出现和发育是多年冻土变暖的指示器,研究热喀斯特湖发育及其热效应是应对青藏高原气候变化和人类活动诱发冻土灾害的基础工作.基于SPOT-5卫星影像资料,在ArcGIS平台下解译遥感影像,获取了青藏公路沿线楚玛尔河至风火山段热喀斯特湖的数量和分布特征,这些热喀斯特湖以楚玛尔河高平原和北麓河盆地为主要分布区,且80％发育于高含冰量多年冻土区.热喀斯特湖通过竖向和侧向2种传热方式影响多年冻土,竖向传热会造成其下部多年冻土融穿,侧向传热会造成湖岸多年冻土增温,扩大热影响范围.通过北麓河地区一典型热喀斯特湖的数值计算,湖全年都在向湖岸放热.当热喀斯特湖离路基较近,将会对公路产生潜在或者直接的危害,其侧向热侵蚀往往会导致冻土路基温度升高,诱发路基病害.     

Study on Environmental and Hydrological Effects of Thermokarst Lakes in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau

Thermokarst lake is the most visible morphologic landscape developing during the process of permafrost degradation, and it is still an international hot topic in permafrost research. The climate warming, and the consequent degradation of the permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau aggravate thermokarst lake development. The permafrost is normally considered as an aquiclude, and the permafrost degradation, especially when the permafrost is completely thawed by a thermokarst lake, might influence regional ground water. Therefore, a research program focusing on environmental and hydrological effects of thermokarst lakes in permafrost regions of the Qinghai-Tibet Plateau was started and supported by the National Natural Science Foundation of China. The work proposed by the application includes: To analysis the spatial and temporal distribution rule of thermokarst lakes in the Qinghai-Tibet Engineering Corridor (QTEC) under the climate change and engineering activities, and to evaluate the ecological environment effects through remote sensing and field investigation; to reveal the main factors influencing a typical thermokarst lake and its hydrothermal condition, and to elucidate the conversion relationship between the thermokarst lake and the groundwater with hydrological and isotope tracer tests; to make an analysis of the influences of different lake stage and size on regional permafrost, hydrological conditions and ecological environment through numerical simulation and statistical modelling, considering the relationships between the thermokarst lake and the ground water level. The research results will help to accurately assess regional permafrost ecological environment evolution and trend prediction, and to reasonably understand the impact factors of the permafrost hydrological evolution and its response mechanism to the ecological environment in the river source regions of the Qinghai-Tibet Plateau. In this paper, the research status analysis, the main research contents, research objectives and prospects were introduced so as to provide some references for related researchers and engineers.     

路基坡脚积水对多年冻土路基稳定性的影响研究进展

多年冻土路基的稳定性很大程度上取决于其下伏多年冻土层的热稳定性. 当融雪、降雨或人为等外界因素形成的路基坡脚积水持续一段时间后,这些积水可能通过入渗对流换热、热边界侵蚀、补给冻胀水分等方式加剧或诱发多年冻土路基热稳定性的下降和丧失. 通过回顾国内外相关文献,从影响多年冻土路基稳定性的因素、积水对路基活动层冻融过程中水分迁移的影响、热融湖塘类积水对冻土路基的热影响、降雨和融雪积水入渗对冻土路基的热影响等方面,归纳总结了坡脚积水对多年冻土路基影响方面的研究进展;在此基础上,提出了对此问题进一步深入的研究展望和探讨.